Europe 
Türkiye 
United Kingdom 
Global 
Se connecter avec mon compte Xometry 
0
Les tolérances jouent un rôle prépondérant dans la tenue des dimensions finales d’une pièce, et ce quel que soit le procédé de fabrication. La fabrication additive ne faisant pas exception à la règle, il est essentiel de comprendre comment fonctionnent les tolérances dans l’impression 3D, aussi bien pour les prototypes que pour les pièces fonctionnelles, afin de garantir la précision de l’ouvrage.
Les tolérances en impression 3D, c’est quoi ?
Quand on parle de tolérances, on évoque généralement la différence observée entre les dimensions théoriques (mentionnées sur un dessin technique ou un modèle CAO) et les dimensions réelles d’une pièce suite à sa fabrication. Une tolérance en particulier constitue la déviation maximale autorisée pour une dimension donnée. Au jour d’aujourd’hui, en Novembre 2021, les tolérances pour l’impression 3D ne sont fixées par aucun standard international, contrairement à ce que l’on peut observer pour l’usinage CNC.
Dans le cadre de l’impression 3D, les principaux facteurs ayant une influence sur les tolérances sont :
- La contraction des matériaux (défini comme une altération du volume résultant d’un changement d’état de la matière, depuis le liquide vers le solide)
- L’épaisseur de la couche de matière déposée
- La taille minimale des éléments d’architecture
- Le volume d’ouvrage (ou la taille maximale de la pièce à imprimer, selon la technologie utilisée)
La contraction des matériaux
Les matériaux utilisés pour réaliser une impression 3D incluent : les filaments thermoplastiques, les poudres (y compris métalliques), les résines et les photopolymères liquides. Tous ces matériaux diffèrent en termes de taux de contraction, lequel est une propriété intrinsèque pour un matériau donné. Un principe bien connu en impression 3D, c’est que les polymères se contractent naturellement durant leur phase de refroidissement, au moment où ils se solidifient.
De plus, quand la contraction se produit de façon non uniforme (en cas de changement brutal de température, par exemple), elle peut occasionner différents défauts, comme des déformations qui viendront altérer la géométrie de la pièce. Les matériaux réagissent différemment aux paramètres d’impression, de même qu’à un refroidissement inégal, ce qui complique la tâche consistant à garantir la précision géométrique de la pièce. Les contraintes exercées durant la phase d’impression, les stratégies de maintien et autres considérations géométriques sont à même de causer des déviations, tant en termes de tolérances qu’en ce qui concerne la planéité de surfaces.
Des pièces, planes, larges, qui présentent une géométrie avec des épaisseurs conséquentes ou des parois d’épaisseurs inégales sont susceptibles de subir des déviations, voire des déformations, importantes. L’utilisation de plastiques de mauvaise qualité et d’imprimantes mal calibrées sont d’autres facteurs pouvant expliquer l’inexactitude des dimensions obtenues.
L’épaisseur de la couche de matière déposée
Aussi connue comme la « résolution », l’épaisseur de couche a un impact direct sur la précision dimensionnelle de la pièce le long de l’axe Z, un impact qui se ressent surtout dans les procédés FDM, Polyjet et SLA, où l’on a des pièces dont la base adhère à une plateforme.
Les séquences de chauffage suivies de temps de refroidissement sont responsables de déformations. Il est fréquent de faire en sorte que la couche de matériau initiale soit déposée avec un taux d’extrusion de plus de 100% afin d’assurer l’adhérence de la pièce à la plateforme. Cependant, cela débouche souvent sur une première couche plus épaisse que les autres, avec la taille globale de la pièce qui différera de l’attendu.
À noter également que les imprimantes grand public et bon marché sont incapables de maintenir une épaisseur uniforme d’une couche à l’autre, ce qui les empêche de tenir des dimensions un tant soit peu strictes. Dans le même temps, la résolution par défaut de certaines technologies (comme le SLS ou le DMLS), souvent configurée « de série » en sortie d’usine, est déjà bien adaptée à la plupart des applications. Enfin, se contenter de matériaux à bas coûts n’est pas toujours une bonne solution, ces matériaux ayant souvent un comportement difficile à prévoir, notamment en termes de contraction thermique.
Une dernière chose à prendre en considération : une imprimante 3D fonctionne en superposant des couches de matière l’une au-dessus de l’autre, ce qui induit un « effet d’escalier ».
Conséquemment à cela, une sphère ou un disque imprimé en 3D ne sera pas aussi lisse, voire aussi parfaitement exacte, que son équivalent obtenu par des méthodes d’usinage plus conventionnelles. Cet effet est illustré dans l’image ci-dessous, où l’on peut effectivement voir les légères déviations induites par le procédé.
La taille minimale des éléments d’architecture
Dans le cas de l’impression FDM, la taille minimale des éléments imprimés dépend avant tout du diamètre de la buse d’extrusion (pour tout ce qui concerne les axes X et Y) et de l’épaisseur de couche (pour tout ce qui va le long de l’axe Z). On peut résumer en disant que le diamètre de la buse d’extrusion affectera presqu’exclusivement tout ce qui à trait au plan horizontal (à tout le moins, celui qui est parallèle à la surface d’impression).
À titre d’exemple, une buse d’un diamètre plus réduit sera capable de réaliser un lettrage plus détaillé (en admettant que ce dernier soit situé sur la face supérieure de la pièce à imprimer). À l’inverse, l’épaisseur de couche affectera le niveau de détails suivant le plan vertical, ainsi que sur les parties obliques de l’ouvrage.
Dans le cas d’autres technologies d’impression 3D, comme le MJF, le SLS, le DMLS et la SLA, la taille minimale des éléments que l’on peut réaliser dépend du matériau utilisé ainsi que du diamètre du faisceau laser. Les technologies basées sur l’utilisation de poudres permettent de récupérer la matière première usagée en vue d’une utilisation future. Toutefois, cela affecte la forme des grains qui deviennent de moins en moins sphériques, et cette forme irrégulière peut affecter les dimensions de l’ouvrage d’une façon qu’il est difficile d’anticiper.
En définitive, il est important de noter que le diamètre de la buse d’extrusion et celui du faisceau laser sont tous deux des paramètres fixes (mais personnalisables). Il convient également de se rappeler de ce que nous avons déjà mentionné à propos de l’épaisseur de couche et de ce qu’elle peut entraîner en termes d’inexactitude dimensionnelle. Tout cela fait que les tolérances sont également affectées par la taille minimale des éléments imprimables.
Le volume d’ouvrage
Ce terme est utilisé pour définir la taille maximale, en volume, de l’impression réalisable par une imprimante donnée, généralement liée à la taille maximale que la plateforme d’impression peut supporter. Plus une pièce imprimée est volumineuse, plus le processus de refroidissement sera long, ce qui peut favoriser les déformations dues à la contraction, notamment si le refroidissement n’est pas suffisamment uniforme.
Les pièces de grande taille demandent souvent beaucoup de structures de maintien dédiées (bien que cela dépende et de la conception, et du procédé de fabrication employé). Ces structures devront être retirées après coup, ce qui va affecter la qualité du grain de surface.
Tolérances dans les technologies d’impression 3D
Dans l’impression 3D, les tolérances sont spécifiques au procédé et varient donc en fonction de ce dernier : elles sont dues aux mécanismes intrinsèques de la technologie, notamment les pièces en mouvement et les matériaux utilisés, mais aussi la façon dont la pièce a été conçue à la base. Pour une meilleure impression, il est recommandé de suivre les directives de conception spécifiques au procédé utilisé.
Tolérances pour la technologie Multi Jet Fusion de HP
Dans le cas du procédé Multi Jet Fusion, la chaleur est produite au moyen d’un faisceau UV. Par conséquent, les pièces larges et étendues, celles dotées d’une géométrie à l’épaisseur prononcée ou de parois d’épaisseurs inégales auront tendance à avoir des dimensions finales qui dévient de l’attendu en raison de la contraction thermique et des contraintes associées, ce qui peut donner l’impression de déformations, voire de torsions. Pour concevoir des pièces destinées à l’impression MJF, il est possible de s’appuyer sur les directives propres au moulage par injection, en termes d’épaisseur de parois.
| Paramètre | Valeur |
| Tolérances | ±0,3% (± 0,2 mm pour 100 mm) |
| Volume d’ouvrage | jusqu’à 380 mm x 284 mm x 380 mm, bien que l’on recommande une taille n’excédant pas 356 mm x 280 mm x 356 mm |
| Épaisseur de couche | ~0,08 mm |
| Taille minimale des éléments | 0,5 mm minimum (0,7 mm recommandé) |
Frittage sélectif au laser (SLS)
La technologie selective laser sintering (ou « frittage sélectif au laser » en français) est très similaire au procédé MJF, à la différence qu’elle emploie un laser au CO2 comme source de chaleur pour faire fondre la matière d’impression (une poudre à base de polymère). Les phénomènes de contraction, ainsi que les déformations associées, sont communs aux deux procédés.
| Paramètre | Valeur |
| Tolérances | ±0,3% (± 0,3 mm pour 100 mm) |
| Volume d’ouvrage | jusqu’à 340 mm x 340 mm x 605 mm, bien que l’on recommande souvent une taille n’excédant pas 320 mm x 320 mm x 580 mm |
| Épaisseur de couche | ~0,1 mm ; 1,5 mm pour les pièces étanches et en cas de parois surélevées |
| Taille minimale des éléments | 0,5 mm minimum (0,75 mm recommandé) |
Stéréolithographie (SLA)
La technologie SLA bénéficie d’un haut niveau de détails et d’une excellente précision, grâce à une grande variété de polymères capables de répliquer différentes propriétés mécaniques. Les matériaux employés en SLA peuvent être flexibles (à l’exemple du polypropylène), rigides (à l’exemple du polycarbonate) ou destinés à des usages variés (comme l’ABS), on peut même trouver des composites extrêmement solides. Cependant, tous ces matériaux nécessitent de passer par une phase de polymérisation sous lumière UV, ce qui peut occasionner des phénomènes de contraction.
| Paramètre | Valeur |
| Tolérances | ±0,2% (± 0,2 mm pour 100 mm) |
| Volume d’ouvrage | jusqu’à 736 mm x 635 mm x 533 mm |
| Épaisseur de couche | ~ 0,02 mm |
| Taille minimale des éléments | 0,1 mm |
Fused deposition modeling (FDM)
La technologie FDM ou « fused deposition modeling » (traduisible en français par « dépôt de fil fondu ») est assez bien adaptée aux géométries mécaniques, aux pièces de grande taille et aux pièces ne présentant pas de détails trop fins (l’épaisseur du matériau extrudé par la buse ne permet pas de réaliser des éléments avec minutie). Le matériau commence à refroidir directement après avoir été déposé sur la plateforme, ce qui déclenche le phénomène de contraction thermique. Il faut également avoir à l’esprit les écarts de tolérances entre les imprimantes FDM professionnelles et domestiques.
| Paramètre | Valeur |
| Tolérances | ±0,5% (± 0,5 mm pour 100 mm) |
| Volume d’ouvrage | jusqu’à 914 mm x 610 mm x 914 mm |
| Épaisseur de couche | ~0,05 – 0,3 mm |
| Taille minimale des éléments | jusqu’à 0,2 mm |
DLS de Carbon
La technologie DLS de Carbon est un procédé à la fois précis et doté d’une grande résolution au niveau des détails, utilisant des matériaux de qualité industrielle que l’on fait polymériser thermiquement. Les matériaux en question sont souvent à base d’uréthane et peuvent être flexibles ou rigides. Il peut aussi s’agir d’élastomères (FPU, RPU, EPU).
Il existe également des matériaux au comportement similaire à celui du silicone, comme le matériau SIL à base d’uréthane. On pourra aussi porter son choix sur les esters de cyanate (ou CE, un matériau solide bénéficiant d’une grande résistance thermique) ou le méthacrylate d’uréthane (UMA, une résine d’usage varié, capable de polymériser sans additifs). Néanmoins, toutes les résines passent par une phase de polymérisation qui entraîne fatalement de la contraction.
| Paramètre | Valeur |
| Tolérances | ±0,1% (± 0,1 mm pour 100 mm) |
| Volume d’ouvrage | jusqu’à 119 mm x 189 mm x 300 mm, bien que l’on recommande une taille n’excédant pas 100 mm x 100 mm x 150 mm |
| Épaisseur de couche | ~0,1 mm |
| Taille minimale des éléments | On recommande un minimum de 1,0 mm |
Direct metal laser sintering (DMLS)
Le procédé DMLS (traduisible en français par « fusion sélective par laser ») fonctionne à des températures extrêmement élevées, ce qui entraîne immanquablement de la contraction thermique et des déformations potentielles. Cependant, le taux de contraction des métaux (ainsi que leurs propriétés conductrices) diffère de celui des plastiques. Les pièces obtenues sont très peu poreuses, avec un état de surface plus lisse (~20 µm).
| Paramètre | Valeur |
| Tolérances | ±0,2% (±0,1 – 0,2 mm pour 100 mm) |
| Volume d’ouvrage | 250 mm x 250 mm x 325 mm |
| Épaisseur de couche | de 0,02 mm à 0,08 mm (selon le matériau utilisé) |
| Taille minimale des éléments | 0,75 mm pour les éléments purement esthétiques ; 1,5 mm pour les éléments structurels |
Polyjet
La technologie PolyJet est un procédé très minutieux, bénéficiant d’une grande précision et d’un haut niveau de détails. Les photopolymères utilisés, qu’ils soient rigides ou de consistance caoutchouteuse, permettent d’atteindre le plus haut niveau de résolution, en dépit d’une robustesse nettement inférieure aux thermoplastiques utilisés par les technologies FDM ou SLS. Le procédé polyjet ne fonctionne pas à haute température, ce qui le rend capable de tenir des tolérances particulièrement strictes.
| Paramètre | Valeur |
| Tolérances | ±0,05 – 0,1mm pour 100mm |
| Volume d’ouvrage | jusqu’à 490 mm x 391 mm x 200 mm |
| Épaisseur de couche | 0,004 mm |
| Taille minimale des éléments | 1,2 mm ou plus pour les matériaux rigides ; 2,0 mm ou plus pour les matériaux à consistance caoutchouteuse |
Post-usinage et finitions
La plupart des technologies mentionnées demandent d’avoir recours à des structures de maintien dont l’élimination va, non seulement, affecter l’état du grain de surface, mais peut également mener, dans certains cas, à une perte de matériau au point de retrait. D’où l’apparition de déviations au niveau des dimensions.
Certains procédés utilisés en finition, comme le sablage, peuvent être utilisés pour rogner sur des dimensions en trop. À l’inverse, on pourra avoir recours à certaines techniques, comme la peinture ou l’application d’un revêtement, pour renforcer des dimensions qui en auraient besoin. Il est fréquent, dans le cas de la technologie DMLS, d’augmenter certaines dimensions dont l’importance est significative de 1, voire 2 mm, et de retirer le trop plein après coup grâce à l’usinage. Cette méthode permet d’obtenir les dimensions désirées, tout en collant au plus près des tolérances spécifiées.
Conclusion
Le tableau ci-dessous résume les tolérances dans le cadre des technologies d’impression 3D offertes chez Xometry :
| Technologie d’impression 3D | Tolérances |
| MJF | ±0,3% (± 0,2 mm) |
| SLS | ±0,3% (± 0,3 mm) |
| SLA | ±0,2% (± 0,2 mm) |
| FDM | ±0,5% (± 0,5 mm) |
| DLS de Carbon | ±0,1% (± 0,1 mm) |
| DMLS | ±0,2% (±0,1 – 0,2 mm) |
| Polyjet | ±0,05-0,1mm |
Xometry Europe offre des services d’impression 3D rapides, fiables et hautement précis. Grâce à notre plateforme de devis instantané et notre réseau de plus de 2000 ateliers partenaires, nous nous assurons que l’entièreté de votre processus, depuis la fabrication de vos pièces jusqu’à leur livraison sur le pas de votre porte, se déroule sans accrocs.
Télécharger
